某大型高效沉降槽有限元分析計算及結構優化

曹萬秋

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110001)

0 前言

高效沉降槽是氧化鋁生產過程中比較復雜的大型設備，其結構復雜，對于整個氧化鋁生產系統的運行起著至關重要的作用[1]，設備重量達到幾百噸左右，如何減輕重量減少投資進行優化設計，同時保證安全運行是設計者一直追求的目標[2]。因此，降低設備重量后的沉降槽能否滿足實際生產需要，需要進行分析計算，常規算法對于這種大型設備來說難以完成計算，本文采用有限元分析軟件ANSYS進行分析計算，同時與常規設計進行互補，確保設備運行的安全性。

1 目前現場使用設備與本文優化后設備對比

原有設計槽體錐體厚度為20 mm，現在錐體加兩圈扁鋼加強環(如圖1所示)，錐體厚度由20 mm降低為14 mm，錐體重量降低約9 t左右，新增兩圈扁鋼重量約1.4 t左右，那么錐體部分整體降低約7.6 t。

圖1 沉降槽錐底加強圖

現有設備內圈立柱型鋼采用HK400c，每延米重量約256 kg，本文計算采用HW400×400型鋼，每延米重量約172 kg，同時采用頂部和底部加強結構。內圈立柱單根節約材料重約294 kg，共計18根，共計節約材料量5.29 t。

現有設備外圈立柱型鋼采用HK300c，每延米重量約177 kg，本文計算采用HW344×354，每延米重約130 kg，同時采用頂部和底部加強結構。外圈立柱單根節約材料重約260 kg，共計18根，共計節約材料量4.68 t。

2 優化后沉降槽有限元分析計算

2.1 槽體有限元模型的建立

由于沉降槽附屬結構比較多，且比較復雜，本文對此進行了簡化，主要分析其受力及變形情況，所以對槽體分析計算無影響的部件在此不予考慮，簡化后槽體如圖2所示。

圖2 沉降槽槽體圖

槽體包括直筒段、錐體、錐體輻射梁、內圈基礎立柱和外圈基礎立柱。

基礎立柱簡化為圓周均布，采用1/2對稱結構建模，立柱與錐底梁結構接觸處也采用簡化的模型，通過分析，確定采用殼單元計算分析，利用有限元軟件ANSYS建模劃分網格后得到沉降槽槽體的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 確定邊界條件和約束條件

載荷的加載：槽體內壁承受物料密度為1.5 t/m3的靜壓力，槽體頂部桁架、攪拌裝置的重量簡化為作用在槽壁上的均布力。

約束的加載：約束內外圈立柱的所有自由度，出料筒的自由度只約束豎直方向。

2.3 槽體有限元計算

建立了有限元模型后，確定好邊界及載荷條件后，利用ANSYS求解器進行結構的變形及應力計算。經過計算，得到槽體的變形如圖4所示，槽體Mises應力如圖5所示。內圈立柱的變形如圖6所示，Mises應力如圖7所示。外圈立柱變形如圖8所示，外圈立柱應力如圖9所示。

圖4 槽體變形圖

圖5 槽體Mises應力圖

圖6 內圈立柱變形圖

圖7 內圈立柱Mises應力圖

圖8 外圈立柱變形圖

圖9 外圈立柱應力圖

2.4 內、外圈支腿穩定性計算

本設備立柱按等斷面立柱受壓穩定性計算。

(1)

式中P—實際工作載荷，N；

A—壓桿斷面的毛面積，cm2；

φ—中心壓桿折減系數；

σP—強度計算時材料的許用應力，N/cm2。

柔度計算詳見公式(2)：

(2)

式中λ—壓桿的柔度(長細比)；

μ—壓桿的長度系數；

l—壓桿全長，cm；

imin—壓桿截面的最小慣性矩，cm4。

2.4.1 內圈立柱計算

內圈立柱梁型號為：HW400×408×21×21，根據機械設計手冊可查A[3]，計算出imin，μ取值為2，帶入公式(2)，可求得λ=73，求得φ=0.74，將值帶入公式(1)中，得σ=12 128 N/cm2<σP。

所以，內圈立柱滿足穩定性要求。

2.4.2 外圈立柱計算

內圈立柱梁型號為：HW344×354×16×16，根據機械設計手冊可查A[3]，計算出imin，μ取值為2，帶入公式(2)，可求得λ=91，求得φ=0.67，將值帶入公式(1)中，得σ=10 221 N/cm2<σP。

所以，外圈立柱滿足穩定性要求。

2.5 結果分析

因為沉降槽結構比較復雜，在各構件相互接觸的部位可能存在尖點或截面迅速變化的區域，例如在錐體輻射梁和底板的連接處，是平面與弧面的連接，此處截面尺寸會發生突然的變化，這種變化在實際生產過程中是不能避免的，所以我們能做的是盡量減小這種集中應力的產生。還有需要值得一提的是，對于脆性材料制成的構件，應力集中現象將一直保持到最大局部應力到達強度極限之前[4]。因此，在設計脆性材料時，應考慮集中應力的影響。對于塑性材料制成的構件，應力集中對其在靜載荷作用下的強度幾乎沒有大的影響。所以，在研究塑性材料制成的構件時，通常情況下不考慮集中應力的影響。本模型采用的是Q235A，是塑性材料，同時在模型分析計算過程中，會產生集中應力，所以根據上面提到的結論，這并不影響計算結果，所以對于產生的這種集中力在這里將不予考慮。

Q235A材料在常溫下許用應力為140 MPa。

(1)槽體的變形和應力

從圖4和圖5可以看出槽體最大變形為6.638 mm，應力在134.128 MPa內，應力和變形在允許的范圍內，所以滿足實際生產需求。

(2)內圈立柱變形和應力

從圖6和圖7可以看出，內圈立柱最大變形為1.555 mm，應力在134.874 MPa范圍內，應力和變形在允許的范圍內，所以滿足實際生產需求。

(3)外圈立柱變形圖和應力

從圖8和圖9看以看出，內圈立柱的最大變形為3.035 mm，外圈立柱的應力在107.506 MPa范圍內，應力和變形在允許范圍內，所以滿足實際生產需求。

3 結論

現有高效沉降槽采用HK型鋼標準，本文采用新型鋼局部加強結構型式替代原有型鋼，既滿足了使用要求，同時還降低了設備重量，內外圈立柱減少重量共計5.29+4.68=9.97 t。

沉降槽錐體采用20 mm厚鋼板，本文采用加扁鋼加強環的形式有效地降低了鋼板的厚度，同時還滿足使用要求，節約材料約7.6 t。

通過本文的計算，此大型沉降槽既滿足了實際生產需求又達到了節約投資的目的，共計節約重量約17.57 t。在現場實際生產中，年產100萬噸的氧化鋁廠此種沉降槽需6～8臺左右，那么對于一個年產100萬噸氧化鋁廠而言，可節約材料量105～140 t，具有非常明顯的經濟效益。